Optimierung neuromodulatorischer Interventionseffekte bei Schlaganfall-Patienten durch funktionelle Bildgebung und transkranielle Magnetstimulation

• Applicant: Professor Dr. Christian Grefkes-Hermann
• Subject Area: Clinical Neurology; Neurosurgery and Neuroradiology
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 191109101

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die Effekte der nicht-invasiven Hirnstimulation mittels transkranieller Magnetstimulation (TMS) auf die Netzwerke des Gehirns sind nur unzureichend verstanden. Dies erschwert erheblich den therapeutischen Einsatz der TMS zur Behandlung von Schlaganfall-Patienten. Das übergreifende Thema dieser durch die DFG geförderten Projekte ist der kombinierte Einsatz von TMS und funktioneller Bildgebung bei Gesunden und subakuten sowie chronischen Schlaganfall-Patienten. Zum einen konnten wir zeigen, dass es bei Gesunden einen engen Zusammenhang zwischen den TMS-Parametern der primär-motorischen Hirnrinde (M1) und deren Aktivitäts- und Konnektivitätswerten gibt, welche bei Schlaganfall-Patienten deutlich verändert ist. In einer weiteren Studie fanden wir heraus, dass die Veränderungen der TMS-Werte in Kombination mit den Konnektivitätswerten von M1 zu einem hohen Prozentsatz das motorische Defizit der Patienten erklären können. Weitere Experimente des Antrags beschäftigten sich mit dem Effekt einer repetitiven TMS (rTMS) nach dem intermittierenden Theta-Burst Protokoll (iTBS), einer laut Literatur effektiven Methode, um die Erregbarkeit von M1 zu steigern. Wir konnten zeigen, dass das Ansprechen auf dieses Protokoll mit der Aktivität des stimulierten Motorkortex und dessen Konnektivität zusammenhängt und dass sich durch eine wiederholte Applikation dieses Protokolls sowohl die Erregbarkeit von M1 als auch dessen Konnektivität mit anderen motorischen Arealen dosisabhängig steigern lässt. In einer Folgeanalyse konnten wir herausstellen, dass dieser Effekt vor allem durch diejenigen Probanden getrieben wurde, bei denen vor der Stimulation eine geringe Konnektivität des stimulierten M1 bestand. Auch bei dem Einsatz des iTBS Protokolls bei Schlaganfall-Patienten mit chronischen (mehr als 6 Monate bestehenden) Handfunktionsdefiziten kam es zu einem sehr variablen Ansprechen auf Verhaltensebene, welches in einem engen Zusammenhang stand mit der Konnektivität des stimulierten M1. Dagegen führte die wiederholte Applikation des iTBS Protokolls in Kombination mit einem motorischen Training bei Patienten in der ersten Woche nach einem Schlaganfall zu einer besseren und nachhaltigeren Erholung der Griffkraft der ursprünglich gelähmten Hand im Vergleich zu einer Kontroll-Patientengruppe. Diese Verbesserungen auf klinischer Ebene waren durch eine höhere Konnektivität des stimulierten M1 mit anderen motorischen Arealen gekennzeichnet. Dieses für die Rehabilitation von Schlaganfall-Patienten hoffnungsvolle Ergebnis wird aktuell in einer großen klinischen Studie geprüft. Zusammengefasst konnten wir in den durch die DFG geförderten Experimenten zeigen, dass (1) es einen engen Zusammenhang gibt zwischen elektrophysiologischen Maßen der Erregbarkeit des Motorkortex und dessen mittels funktioneller Bildgebung gemessener Aktivität/Konnektivität, (2) eine neuromodulative rTMS für eine Subgruppe von Probanden dosisabhängig die Erregbarkeit und Konnektivität steigern kann und (3) bei Schlaganfall-Patienten zwar eine sehr hohe Variabilität hinsichtlich einer durch rTMS-induzierten Verbesserung besteht, jedoch durch eine wiederholte Applikation in der Frühphase in Kombination mit Krankengymnastik die motorische Funktionserholung verbessert werden kann.

Publications

• Network connectivity and individual responses to brain stimulation in the human motor system. Cereb Cortex. 2014 Jul;24(7):1697-707
  Cárdenas-Morales, Lizbeth; Volz, Lukas J.; Michely, Jochen; Rehme, Anne K.; Pool, Eva-Maria; Nettekoven, Charlotte; Eickhoff, Simon B.; Fink, Gereon R. & Grefkes, Christian
  
• Dose-dependent effects of theta burst rTMS on cortical excitability and resting-state connectivity of the human motor system. J Neurosci. 2014 May 14;34(20):6849-59
  Nettekoven, Charlotte; Volz, Lukas J.; Kutscha, Martha; Pool, Eva-Maria; Rehme, Anne K.; Eickhoff, Simon B.; Fink, Gereon R. & Grefkes, Christian
  
• Motor cortex excitability and connectivity in chronic stroke: a multimodal model of functional reorganization. Brain Struct Funct. 2015 Mar;220(2):1093-107
  Volz, Lukas J.; Sarfeld, Anna-Sophia; Diekhoff, Svenja; Rehme, Anne K.; Pool, Eva-Maria; Eickhoff, Simon B.; Fink, Gereon R. & Grefkes, Christian
  
• Inter-individual variability in cortical excitability and motor network connectivity following multiple blocks of rTMS. Neuroimage. 2015 Sep;118:209-18
  Nettekoven, Charlotte; Volz, Lukas J.; Leimbach, Martha; Pool, Eva-Maria; Rehme, Anne K.; Eickhoff, Simon B.; Fink, Gereon R. & Grefkes, Christian
  
• Shaping Early Reorganization of Neural Networks Promotes Motor Function after Stroke. Cereb Cortex. 2016 Jun;26(6):2882-2894
  Volz, L. J.; Rehme, A. K.; Michely, J.; Nettekoven, C.; Eickhoff, S. B.; Fink, G. R. & Grefkes, C.
  
• Interindividual differences in motor network connectivity and behavioral response to iTBS in stroke patients. Neuroimage Clin. 2017 Jun 4;15:559-571
  Diekhoff-Krebs, Svenja; Pool, Eva-Maria; Sarfeld, Anna-Sophia; Rehme, Anne K.; Eickhoff, Simon B.; Fink, Gereon R. & Grefkes, Christian